мелкодисперсная пена что это

Мелкодисперсная пена что это

Пе́на — дисперсная система с газовой дисперсной фазой и жидкой или твердой дисперсионной средой.

Содержание

Особенности пен как дисперсных систем

Пены, в отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы, характеризуются содержанием дисперсионной среды.

Пены являются крайне неустойчивыми дисперсными системами, так как плотность жидкости в сотни и даже тысячи раз превышает плотность газа, из которого формируются пузырьки пены. Пены считаются грубодисперсными системами: в момент пенообразования невооруженным глазом видны пузырьки пены. Масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, размеры пузырьков сильно разнятся, поэтому пены можно считать полидисперсными системами. Пены являются типичными лиофобными дисперсными системами (см. );

Пены как дисперсные системы имеют свои особенности, которые определяются свойствами дисперсной фазы, дисперсионной среды и границы раздела фаз между ними такими как: изменение энергии Гиббса, межфазное поверхностное натяжение, форма пузырьков (сферическая, полиэдрическая).

Свойства пен

Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, но дисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-активных веществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярные вещества, повышающие вязкость растворов. В качестве характеристик пены используется комплекс свойств, всесторонне характеризующих пену.

Структура пен

Для пен, особенно высокократных, характерна ячеистая пленочно-каналовая структура, в которой заполненные газом ячейки разделены топкими пленками. Три пленки, расположенные под углом 120°, сливаются в канал, четыре канала с углом между ними около 109° образуют узел. Наиболее типичной формой ячейки в монодисперсной пене является пентагональный додекаэдр (двенадцатигранник с пятиугольными гранями), часто с 1-3 дополнительными гранями; среднее число пленок, окружающих ячейку, обычно близко к 14. В низкократной пене форма ячеек близка к сферической и размер пленок мал.

Разрушение пен

Пены термодинамически неустойчивы, так как в них протекают процессы, ведущие к изменению строения и разрушению пен. К таким процессам относят:

Твёрдые пены

Системы с твердой дисперсионной средой и газовой дисперсной фазой — Г/Т часто называют твердыми пенами. Твердые пены, так же как и жидкие пены, вследствие большого размера пузырьков газовой фазы обычно относят к микрогетерогенным или даже грубодисперсным системам. Примером природной твердой пены может служить пемза — пористая губчато-ноздреватая очень легкая горная порода вулканического происхождения, применяемая как абразив для полировки и шлифования, а также в строительном деле для изготовления пемзобетона. Из искусственных твердых пен можно указать пеностекла и пенобетоны,-широко применяемые в качестве строительных и изоляционных материалов. Достоинствами этих материалов являются малая плотность, малая теплопроводность и довольно большая прочность, обусловленная их ячеистой структурой и прочностью дисперсионной среды. Сюда же надо отнести искусственные губчатые материалы, изготовленные на основе полимеров (микропористая резина, различные пено-пласты).

Применение

В ряде случаев практического применения пен важны такие их свойства, как вязкость, теплопроводность, электропроводность, оптические свойства и т.д. Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту:

Пенные составы используются для увлажнения, антиэлектростатической обработки и замасливания волокон в ровнице, а также для отбеливания и крашения текстильных материалов, крашении трикотажных полотен, печатании декоративных тканей и т.д. Состав пены текстильного назначения достаточно сложен, так как в нее должны входить пенообразователи и все основные компоненты, используемые для соответствующих видов отделок, такие как красители, катализаторы, полимерные добавки, модификаторы поверхности и т.д.

Источник

Способ получения мелкодисперсной пены и устройство для его осуществления

Владельцы патента RU 2406562:

Изобретение относится к пищевому оборудованию и медицинской технике и может быть использовано для приготовления пищевых пен, например кислородных коктейлей, косметических и лечебных пен с различным газовым составом, а также для газификации питьевых жидкостей. Способ заключается в том, что зону пенообразования с находящимся в ней жидким компонентом предварительно герметизируют, наполняют целевым газом, герметично вводят рабочий инструмент миксера и взбиванием смешивают газ с жидкостью. Рабочий инструмент миксера вращается и перемещается внутри взбиваемого объема. Устройство содержит держатель потребительской тары, герметизирующий колпак с подводящим и отводящим газ трубопроводом, миксер с взбивающим инструментом и блок управления, обеспечивающий заданный закон движения взбивающего инструмента для измельчения и межслойного перемешивания пены. Технический результат состоит в получении пены мелкодисперсной структуры однородного газового состава. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к пищевому оборудованию и медицинской технике и может быть использовано для приготовления пищевых пен, например кислородных коктейлей, косметических и лечебных пен с различным газовым составом, а также для газификации питьевых жидкостей.

Предшествующий уровень техники

Известны способы и устройства для получения пен, в основе которых лежит процесс барботажа (например, АС 546350 МПК 2 : А61J 3/00; Патент РФ №2230603, МПК 7 : B01F 3/4 и др.). Этот процесс отличается 100%-ной однородностью газового состава, простотой, надежностью, но имеет и недостатки, проявляющиеся при получении мелкодисперсных пен, такие как невысокая производительность, большой расход жидкости, неравномерность структуры пены из-за того, что отсутствует межслойное перемешивание, без которого, например, верхние слои столба пены начинают опадать, а нижние только зарождаются и ряд других причин в конечном итоге приводящих к сокращению стойкости пен и их ускоренному разрушению.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки такого способа получения пены и устройства для его осуществления, при котором пена имела бы 100%-ное наполнение целевым газом, как это происходит при барботаже, и одновременно имело бы такую же высокую производительность и высокое качество, которое наблюдается при взбивании миксером. Процесс должен иметь возможность автоматизации и протекать непосредственно в потребительской таре (например, в пластиковом стаканчике), выступающей в роли рабочей емкости, для того чтобы исключить дополнительные переливы пены, действующие на нее разрушительно.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения мелкодисперсной пены, заключающемся в том, что перед взбиванием предварительно герметизируют пространство над пенообразующим раствором в рабочей емкости, вводят в это пространство целевой газ с помощью продувки и производят взбивание пены до установленного объема, используя определенный закон перемещения рабочего органа миксера, обеспечивающий в процессе взбивания сохранение формы образовавшейся воронки, выполняющей роль канала для прохода целевого газа в зону взбивания, а затем, внутри взбитого объема, производят перемещения вращающегося рабочего инструмента миксера вверх-вниз для выравнивания структуры пены и дополнительного измельчения пузырьков, согласно изобретению подачу газа производят со скоростью в пределах 0,1…20 л/мин, давление целевого газа в герметичном пространстве поддерживают на уровне атмосферного с допустимым превышением номинала на 0…20%, скорость вращения взбивающего инструмента устанавливают в пределах 4000…22000 об/мин.

Поставленная задача решается тем, что устройство для получения мелкодисперсной пены, содержащее источник газа, подводящий газовый трубопровод с управляемым клапаном, держатель емкости для взбивания, вращающийся ротор миксера с закрепленным на конце взбивающим инструментом, согласно изобретению дополнительно снабжено колпаком с подводящим и отводящим газ отверстиями и имеющим возможность прижима к кромке емкости для взбивания с целью герметизации ее внутреннего пространства и имеющим осевое герметизированное отверстие для введения в зону образования пены ротора миксера, а также блоком управления, который задает закон перемещения для взбивающего инструмента миксера в пределах объема пространства, занимаемого пеной.

Таким образом, совершая последовательность действий данного способа в пределах указанных технологических параметров с помощью предложенного технического устройства, решается задача, стоящая перед данным изобретением: пена имеет однородный газовый состав, так как процесс протекает в атмосфере целевого газа и попадание воздуха в систему исключается; пена имеет ровную мелкодисперсную структуру за счет интенсивного взбивания и перемешивания слоев; процесс приготовления продукта занимает мало времени, делается в присутствии потребителя и сразу передается ему для пользования; процесс также легко автоматизируется, программируется и усовершенствуется дополнительными техническими средствами, например через дополнительные отверстия в колпаке можно подавать в систему и другие газы, подключить ряд дозаторов жидких или сыпучих компонентов для получения разнообразия вкусов, с блока управления можно снимать информацию о количестве отпущенной продукции через установку счетчика наработки или подключиться к централизованной системе автоматизированного учета и т.д.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемым чертежом.

Чертеж изображает общий вид устройства для получения мелкодисперсной пены, продольный разрез.

Лучший вариант осуществления изобретения

Устройство для получения мелкодисперсной пены согласно изобретению содержит колпак 4, в котором имеются отверстия для подвода газа 6 и для выхода газа 7, осевое герметизированное отверстие 19, через которое от мотора миксера 14 пропускается ротор 8 с взбивающим инструментом 9 на конце. К нижней плоскости колпака 4 подводится держатель 5 для удержания пластиковой емкости для взбивания 12 в рабочем положении. Колпак 4 и держатель 5 связаны между собой такими условиями, что их сопрягаемые плоскости параллельны и располагаются между собой с зазором, на несколько миллиметров превышающим высоту кромки емкости 20, причем держатель 5 имеет в своем теле свободный проход для введения в него емкости 12 с помощью легкого ручного сжатия с таким расчетом, что емкость будет висеть на держателе 5, опираясь на 2/3 длины окружности нижней поверхности своей кромки 20, а сам держатель 5 способен прижиматься к колпаку 4 и фиксироваться, слегка сдавливая кромку 20 и создавая тем самым достаточную для процесса герметичность.

Устройство снабжено также винтовой (или какой-либо другой) передачей 17, жестко связанной с мотором миксера 14 и приводимой в движение двигателем 16, получающим управляющие сигналы от блока управления 15. От блока управления 15 также задаются режим вращения мотора 14, открытие и закрытие клапана 3 и другие управляющие воздействия, если они будут необходимы в каком-либо конкретном случае.

Предлагаемый способ получения мелкодисперсной пены осуществляют следующим образом.

1. Способ получения мелкодисперсной пены, заключающийся в том, что целевой газ и жидкий компонент приводят во взаимодействие с помощью рабочего инструмента миксера напосредственно в таре потребителя, отличающийся тем, что перед взбиванием рабочий объем потребительской тары с жидким компонентом герметизируют, заполняют целевым газом и затем взбивают, при этом рабочий инструмент миксера перемещают в пределах взбиваемого объема по заданному закону движения.

2. Устройство для получения мелкодисперсной пены, содержащее источник газа, питающий газом трубопровод, миксер с взбивающим инструментом, рабочую емкость для взбивания и держатель для емкости, отличающееся тем, что дополнительно снабжено герметизирующим колпаком, механизмом перемещения взбивающего инструмента миксера и блоком управления, обеспечивающим заданный закон движения взбивающего инструмента.

Источник

Вопрос 9. Дисперсные системы: пены, эмульсии, суспензии, аэрозоли

Вопрос 9. Дисперсные системы: пены, эмульсии, суспензии, аэрозоли

Гетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз, одна из которых равномерно раздроблена в другой, называются дисперсными.

Фаза, которая раздроблена, называется дисперсной фазой (в дальнейшем именуемой «д. ф.»).

Фаза, в которой раздроблена дисперсная фаза, носит название дисперсионной среды (сокращенно «д. с.»).

Классифицируют дисперсные системы по следующим признакам:

по степени раздробленности дисперсной фазы различают высокодисперсные и грубодисперсные дисперсные системы. Мерой раздробленности вещества является дисперсность, обозначаемая буквой «D». Она обратно пропорциональна среднему линейному размеру его частиц и измеряется в обратных метрах:

Если частица имеет сферическую форму, то d – это длина ее диаметра, если – кубическую, то размер ребра куба.

Чем больше дисперсность, тем выше удельная поверхность (площадь поверхности, приходящаяся на единицу массы) измельченного вещества. С увеличением площади поверхности увеличивается поверхностная энергия частиц, находящихся на границе раздела фаз гетерогенной системы. Это приводит к повышению реакционной способности вещества и, как следствие, делает возможным самопроизвольное протекание различных поверхностных явлений (адсорбции, смачивания и т. п.).

туман, облака, духи, лекарства

пыль, дым, песчаные бури

мыльная пена, пена огнетушителя

молоко, сливочное масло, мазь, крем, СОЖ, нефть

соусы, кисели, клеи, краски

хлеб, шоколад, почва, пенопласт

сплавы металлов, драгоценные камни, цветные стекла

по наличию взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой различают свободно – и связнодисперсные (структурированные) системы, схемы которых представлены на рис. 1 и 2.

Рис.1. Свободнодисперсные системы: корпускулярно – (а–в), волокнисто (г) – и пленочнодисперсные (д).

Рис.2. Связнодисперсные системы: гель (а); коагулят с плотной (б) и рыхлой (в) структурой.

По определению условием образования дисперсных систем является ограниченная растворимость или взаимная нерастворимость частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды. По этой причине такие системы термодинамически неустойчивы и со временем должны расслаиваться на две отдельные фазы. Для обеспечения агрегативной устойчивости (способности частиц дисперсной фазы не слипаться, сохраняя определенную степень дисперсности) и кинетической устойчивости (способности не оседать с образованием отдельной фазы) дисперсных систем в них вводят третий компонент – стабилизатор.

Дисперсные системы занимают промежуточное положение между растворами и гетерогенными системами, поэтому для их получения используются два способа – диспергирование (раздробление уже имеющейся фазы, нерастворимой в дисперсионной среде) или конденсацию (создание новой фазы из гомогенной системы и получение таким образом двухфазной системы).

Методы диспергирования делятся на физические и химические. Физическое диспергирование может осуществляться механическим методом (взбалтыванием, дроблением на шаровых мельницах), ультразвуковым, электрическим (испарение металла электрода при образовании вольтовой дуги). Химическое диспергирование, или пептизация, основано на обработке свежевыпавшего рыхлого осадка раствором электролита или растворителя, приводящей к дезагрегированию его частиц и распределению их по объему дисперсионной среды.

Конденсационные методы также могут быть физическими или химическими. При химическом методе новая фаза образуется за счет химической реакции. Это может быть окислительно – восстановленная реакция для получения коллоидных растворов металлов (серебра) или неметаллов (серы):

AgNO3 + K2CO3 = Ag2O + 2KNO3 + CO2

Ag2O + C76H52O46 = 6Ag + C76H52O49,

С помощью реакции гидролиза получают коллоидный раствор гидроксида железа (III):

FeCl3 + 3H2O = Fe (OH)3 + 3HCl.

Физическая конденсация может быть осуществлена методом замены растворителя на нерастворитель для растворенного вещества, что приводит к образованию гетерогенной системы. Так можно получить водную дисперсию серы или канифоли из их спиртового раствора.

К наиболее распространенным дисперсным системам относятся эмульсии, суспензии, пены и аэрозоли.

Эмульсии применяют в технике в качестве смазочноохлаждающих жидкостей (СОЖ). Авторемонтные предприятия сбрасывают в сутки от 30 до 100 м3 сочных вод, содержащих масляные эмульсии, для разрушения которых применяют деэмульгирование.

Источник

Свойства и особенности пен. Пены представляют собой дисперсную систему типа Г/Ж, в которой дисперсной фазой является газ или пар

Пены представляют собой дисперсную систему типа Г/Ж, в которой дисперсной фазой является газ или пар, а дисперсионной средой — жидкость. В качестве дисперсной фазы могут служить пузырьки воздуха, находящиеся в воде. Пены относятся к концентрированным и высококонцентрированным дисперсным системам. Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж, содержание дисперсной фазы которых менее 0,1%, называют газовыми эмульсиями (см. табл. 1.1). В разбавленных системах происходит обратная седиментация — всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах, пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.

В отличие от других дисперсных систем, состав которых определяется концентрацией дисперсной фазы [см. формулы (1.8)—(1.10)], пены характеризуются содержанием дисперсионной среды. Так как масса и объем газовой дисперсной фазы непостоянны и быстро изменяются, то общее объемное содержание дисперсной фазы характеризуется кратностью пены β, которая показывает, во сколько раз объем пены Vп превышает объем жидкости Vж, необходимый для ее формирования

(16.1)

где V_п, V_r, V_ж, — объем пены, газа и жидкой дисперсионной среды соответственно.

Относительная доля газа ε в пенах равна

(16.1, а)

Доля объема, занятого жидкостью, составляет 1 – ε = 1/β.

Пены называют влажными (низкократными), если β

(16.3)

Термодинамический подход, однако, не позволяет рассмотреть особенности структуры пен, которая определяется формой пузырьков, их размерами и упаковкой. Пузырьки дисперсной фазы пен могут иметь сферическую и многогранную (полиэдрическую) форму (рис. 16.1). Кроме того, различают еще и ячеистую структуру пен. которая образуется при переходе сферической формы пузырьков в полиэдрическую. Подобный переход имеет место, когда кратность пен колеблется в пределах 10—20.

В пене происходит контакт пузырьков, разделенных между собой слоем жидкости. При осуществлении контакта четырех пузырьков одного размера возникает неустойчивое равновесие, которое нарушается и переходит в устойчивое равновесие трех пузырьков. Монослой полиэдрической пены будет иметь регулярную структуру с гексагональной упаковкой.

Пленки жидкости, находящиеся между пузырьками, образуют так называемые треугольники Плато (рис. 16.2). В каждом ребре многогранника сходятся три жидкие пленки, которые являются стенками пузырьков. Эти пленки образуют между собой углы, близкие к 120°. Сечение пленки жидкости пены по линии АА (см. рис. 16.1, в) показано на рис. 16.2. В местах стыков пленок (ребер многогранников) образуются утолщения, которые названы каналами. Каналы формируют в поперечном сечении треугольники. Четыре канала сходятся в одной точке, образуя узлы (см. рис. 16.1, в). Каналы и узлы пронизывают всю структуру пены.

Жидкие пленки в центре плоскопараллельны. Вблизи каналов они утолщены и становятся вогнутыми. В результате возникает капиллярное давление, вызывающее отток жидкости из пленок в каналы (этот отток на рис. 16.2 показан стрелками). Жидкие пленки утончаются.

Под действием гравитации жидкость собирается в каналы и по узлам стекает в нижнюю часть пены. Если для систем T/Ж и Ж/Ж гравитация способствует седиментации частиц дисперсной фазы, то для пен, т.е. систем Г/Ж, гравитация обусловливает сток жидкости, составляющую дисперсионную среду; размер и число пузырьков уменьшается — пена гасится.

Как показали эксперименты, проводимые космонавтами на околоземных орбитах, в условиях невесомости (точнее, микрогравитации), время жизни жидких пен возрастает в десятки и даже в сотни раз. Это объясняется тем, что исключается сток жидкости по каналам и узлам. В земных условиях необходимо применять дополнительные меры по сохранению устойчивости пен.

Пены обладают рядом коллоидно-химических и физико-химических свойств. Для них характерны электроосмос и потенциал течения. Пены способны поглощать и рассеивать свет. В слое жидкости, разделяющем пузырьки пены, возникает расклинивающее давление, а внутри пузырьков — капиллярное давление. Кроме того, пены могут обладать определенной электропроводностью. Для применения пен большое значение приобретает их вязкость.

Кинематическая вязкость пены превышает вязкость воды и зависит от скорости перемещения пены. При скорости 0,2—0,4 м/с кинематическая вязкость пены оставляет (200—300)10 –6 м 2 /с, а при меньших скоростях она снижается до (2—5)10 м 2 /с. Напомним, что кинематическая вязкость есть частное от деления динамической вязкости на удельную массу, для воды она равна 10 –6 м 2 /с и не зависит от скорости движения водной среды.

Возможные источники образования, тип и форма некоторых пен
в пищевой промышленности и продуктах питания

Пенообразование играет важную роль в процессе усвоения пищи. Слюна образует высокодисперсную и прочную пену. В результате этого процесс смачивания пищи проходит быстро — всего за 16—18 с; комок пищи получает способность свободно проходить в глотку и пищевод, а воздух, поступающий со слюной в желудок, способствует пищеварению. В различных технологических процессах, в частности в химической, микробиологической, пищевой (см. табл. I6.1) и других отраслях промышленности, возникает потребность в разрушении пен, т.е. предотвращение вспенивания. Нередко пенообразование не только нежелательно, но и опасно для человеческого организма. Речь идет о кессонной болезни, которая является профессиональной для водолазов и летчиков. При переходе из зоны повышенного давления в зону нормального давления происходит выделение пузырьков азота, который поступил в избыточном количестве в кровь при повышенном давлении; кессонная болезнь проявляется в вспенивании крови.

Аэрозоли играют большую роль в природе и в жизни человека. Так, воздух, окружающий Землю, представляет собой наиболее распространенную естественную аэрозольную систему. Специалист технолог очень часто сталкивается с аэрозолями в своей практической деятельности. Мероприятия по охране окружающей среды, связанные с уменьшением запыленности воздуха, основаны на разрушении аэрозолей. В воздухе некоторых предприятий, например, цементной промышленности, переходит ценное сырье, извлечение которого и использование по назначению снижает или исключает неоправданные потери. Осадки аэрозолей формируют сыпучие материалы (порошки) — едва ли не самые распространенные в некоторых отраслях промышленности дисперсные системы.

Источник